ЛУЧ робототехники

ЛУЧ робототехники (из биологии , электроники , эстетики и механики ) — стиль робототехники , в котором в основном используются простые аналоговые схемы , такие как компараторы , вместо микропроцессора для создания необычайно простой конструкции. Хотя робототехника BEAM не такая гибкая, как робототехника на базе микропроцессора, она может быть надежной и эффективной при выполнении задачи, для которой она была разработана.

Роботы BEAM могут использовать набор аналоговых схем, имитируя биологические нейроны, чтобы облегчить реакцию робота на рабочую среду.

Механизмы и принципы

Основные принципы BEAM сосредоточены на способности машины, основанной на стимуле-реакции. Основной механизм был изобретен Марком У. Тилденом , где схема (или сеть ) Nv нейронов используется для моделирования поведения биологических нейронов. Некоторые подобные исследования ранее были проведены Эдом Ритманом в книге «Эксперименты в искусственных нейронных сетях». Схему Тилдена часто сравнивают со сдвиговым регистром , но она имеет несколько важных особенностей, делающих ее полезной схемой в мобильном роботе.

Другие правила, которые включены (и применяются в разной степени):

1. Используйте как можно меньше электронных элементов ( «будьте проще» ).
2. Перерабатывайте и повторно используйте технолом
3. Используйте лучистую энергию (например, солнечную энергию )

Существует большое количество роботов BEAM, предназначенных для использования солнечной энергии от небольших солнечных батарей для питания « Солнечного двигателя », который создает автономных роботов, способных работать в широком диапазоне условий освещения. » Тилдена Помимо простого вычислительного уровня « Нервных сетей , BEAM привнес в набор инструментов робототехника множество полезных инструментов. Схема «Солнечный двигатель», множество схем H-мостов для управления небольшими двигателями, конструкции тактильных датчиков и методы создания роботов мезомасштаба (размером с ладонь) были задокументированы и распространены сообществом BEAM.

Роботы BEAM

Сосредоточившись на поведении, «основанном на реакциях» (первоначально вдохновленном работой Родни Брукса ), робототехника BEAM пытается копировать характеристики и поведение биологических организмов с конечной целью приручить этих «диких» роботов. Эстетика роботов BEAM основана на принципе « форма следует за функцией », модулируемом конкретными дизайнерскими решениями, которые делает строитель при реализации желаемой функциональности.

Споры в названии

У разных людей разные представления о том, что на самом деле означает BEAM. распространенное биология — , электроника и , эстетика . механика значение широко Наиболее

Этот термин придумал Марк Тилден во время дискуссии в Научном центре Онтарио в 1990 году. Марк демонстрировал подборку своих оригинальных ботов, которые он создал во время работы в Университете Ватерлоо .

Однако существует много других полупопулярных имен, включая:

• Биотехнология ​ Этология ​ Аналогия ​ Морфология ​
• Построение ​ эволюции ​ Анархия ​ Модульность ​

Микроконтроллеры

В отличие от многих других типов роботов, управляемых микроконтроллерами , роботы BEAM построены по принципу использования множества простых моделей поведения, напрямую связанных с сенсорными системами с незначительной обработкой сигналов . Эта философия дизайна тесно перекликается с классической книгой «Транспортные средства: эксперименты в синтетической психологии». В этой книге посредством серии мысленных экспериментов исследуется развитие сложного поведения роботов с помощью простых тормозящих и возбуждающих сенсорных связей с исполнительными механизмами . Микроконтроллеры и компьютерное программирование обычно не являются частью традиционного (так называемого «чистого») робота BEAM из-за очень низкоуровневой философии проектирования, ориентированной на аппаратное обеспечение .

Существуют успешные разработки роботов, сочетающие эти две технологии. Эти «гибриды» удовлетворяют потребность в надежных системах управления с дополнительной гибкостью динамического программирования, как, например, « лошадь и всадник » роботы BEAMbot с топологией (например, ScoutWalker 3). ). Поведение «лошади» реализуется с помощью традиционной технологии BEAM, но «наездник» на базе микроконтроллера может управлять этим поведением для достижения целей «наездника».

Типы

Существуют различные « тропные » BEAM-боты, которые пытаются достичь определенной цели. Из всего этого ряда фототропы являются наиболее распространенными, поскольку поиск света был бы наиболее выгодным поведением для робота, работающего на солнечной энергии.

• Аудиотропы реагируют на источники звука.
  • Аудиофилы обращаются к источникам звука.
  • Аудиофобы избегают источников звука.
• Фототропы («искатели света») реагируют на источники света.
  • Фотофилы (также фотояды ) предпочитают источники света.
  • Фотофобы отходят от источников света.
• Радиотропы реагируют на источники радиочастот .
  • Радиофилы идут в сторону радиочастотных источников.
  • Радиофобы уходят от источников радиочастот.
• Термотропы реагируют на источники тепла.
  • Термофилы движутся к источникам тепла.
  • Термофобы отходят от источников тепла.

Общие

BEAMbots имеют множество механизмов перемещения и позиционирования. К ним относятся:

• Сидящие : неподвижные роботы, имеющие физически пассивное назначение.
  • Маяки: передают сигнал (обычно навигационный сигнал) для использования другими роботами BEAM.
  • Пуммеры: покажите «световое шоу» или звуковую картину. Пуммеры часто являются ночными роботами, которые накапливают солнечную энергию в течение дня, а затем активируются ночью.
  • Орнаменты: универсальное название для натурщиков, которые не являются маяками или пумерами. Зачастую это в основном электронное искусство .
• Сквирмеры : стационарные роботы, выполняющие интересные действия (обычно путем перемещения каких-либо конечностей или придатков).
  • Мэгботы: используют магнитные поля для своего режима анимации.
  • Флагманы: перемещайте дисплей (или «флаг») с определенной частотой.
  • Головы: поворачивайте и следуйте некоторым обнаруживаемым явлениям, например свету (они популярны в сообществе BEAM. Они могут быть автономными роботами, но чаще всего включаются в более крупный робот).
  • Вибраторы: используйте небольшой двигатель пейджера со смещенным от центра грузом, чтобы встряхнуться.
• Слайдеры : роботы, которые плавно скользят частями тела по поверхности, оставаясь при этом в контакте с ней.
  • Змеи: Двигайтесь, используя горизонтальные волновые движения.
  • Дождевые черви: передвигаются продольными волнами .
• Гусеничные роботы : роботы, которые передвигаются по гусеницам или перекатывая тело робота с помощью какого-либо придатка. Тело робота не волочится по земле.
  • Палтусы: перекатывайте все тело, используя руки или жгутики.
  • Дюймовые черви: переместите часть своего тела вперед, в то время как остальная часть шасси находится на земле.
  • Гусеничные роботы: используйте гусеничные колеса, как у танка .
• Прыгуны : роботы, которые отрываются от земли в качестве средства передвижения.
  • Виброботы: производят неравномерные встряхивающие движения, перемещаясь по поверхности.
  • Спрингботы: двигайтесь вперед, подпрыгивая в одном определенном направлении.
• Ролики : роботы, которые передвигаются, перекатывая все или часть своего тела.
  • Симетс: приводится в движение одним двигателем, вал которого касается земли, и движется в разных направлениях в зависимости от того, какая из нескольких симметричных точек контакта вокруг вала касается земли.
  • Солнечные ролики : автомобили на солнечной энергии, в которых используется один двигатель, приводящий в движение одно или несколько колес; часто предназначены для прохождения довольно короткой, прямой и ровной трассы за кратчайший промежуток времени.
  • Попперс: используйте два двигателя с отдельными солнечными двигателями ; полагаться на дифференциальные датчики для достижения цели.
  • Минишары: смещают центр масс , заставляя их сферические тела катиться.
• Ходунки : роботы, которые передвигаются с помощью ног с дифференциальным контактом с землей. Ходунки BEAM обычно используют сети Nv и никаким образом не программируются — они ходят и реагируют на рельеф местности посредством резистивного сигнала своих двигателей.
  • С приводом от двигателя: используйте моторы для перемещения ног (обычно 3 мотора или меньше).
  • Мышечная проволока: используйте нитиноловые (никель- титановый сплав ) проволоки. для приводов ног
• Пловцы : также называются акваботами или акваворами. Роботы, которые перемещаются по поверхности жидкости (обычно воды) или под ней.
  • Лодочные роботы: работают на поверхности жидкости.
  • Субботы: действуют под поверхностью жидкости.
• Летуны : роботы, которые перемещаются по воздуху в течение длительного времени.
  • Вертолеты: используйте приводной винт для обеспечения подъемной силы и движения.
  • Самолеты: используйте неподвижные или машущие крылья для создания подъемной силы.
  • Дирижабли: для подъема используйте воздушный шар с нейтральной плавучестью.
• Альпинисты : робот, который движется вверх или вниз по вертикальной поверхности, обычно по рельсам, например, по веревке или проволоке.

Заявки и текущий прогресс

В настоящий момент В настоящее время автономные роботы нашли ограниченное коммерческое применение, за некоторыми исключениями, такими как робот-пылесос iRobot Roomba и несколько роботов-косилок для газонов. Основное практическое применение BEAM заключалось в быстром прототипировании систем движения и приложений для хобби и образования. Марк Тилден успешно использовал BEAM для создания прототипов продуктов для Wow-Wee Robotics, о чем свидетельствуют BIOBug и RoboRaptor. Solarbotics Ltd., Bug'n'Bots, JCM InVentures Inc. и PagerMotors.com также вывели на рынок товары для хобби и обучения, связанные с BEAM. Vex также разработала Hexbugs , крошечных роботов BEAM.

У начинающих робототехников BEAM часто возникают проблемы с отсутствием прямого контроля над «чистыми» цепями управления BEAM. Продолжается работа по оценке биоморфных методов, копирующих естественные системы, поскольку они, по-видимому, имеют невероятное преимущество в производительности по сравнению с традиционными методами. Существует множество примеров того, как крошечный мозг насекомых способен работать гораздо лучше, чем самая совершенная микроэлектроника.

Еще одним препятствием для широкого применения технологии BEAM является предполагаемая случайная природа «нервной сети», которая требует от разработчика изучения новых методов для успешной диагностики и управления характеристиками схемы. Аналитический центр международных ученых ежегодно собираются в Теллурайде, штат Колорадо , чтобы напрямую обсудить этот вопрос, и до недавнего времени Марк Тилден принимал участие в этих усилиях (ему пришлось отказаться из-за своих новых коммерческих обязательств с игрушками Wow-Wee).

Не имея долговременной памяти, роботы BEAM обычно не учатся на прошлом поведении. Однако в сообществе BEAM ведется работа по решению этой проблемы. Одним из самых продвинутых роботов BEAM в этом направлении является Hider Брюса Робинсона. который обладает впечатляющими возможностями для бесмикропроцессорной конструкции.

Публикации

Патенты

• Патент США 613809 — Способ и устройство для управления механизмом движущегося транспортного средства или транспортных средств Теслы на « телеавтомат » — патент ; Первый логический вентиль .
• патент США 5325031 - Адаптивные роботизированные нервные системы и схемы управления для них - патент Тилдена; Схема самостабилизирующегося управления, использующая схемы задержки импульса для управления конечностями робота с конечностями, и робот, включающий такую ​​схему; искусственные «нейроны».

Книги и бумаги

• Конрад, Джеймс М. и Джонатан В. Миллс, « Стикито: продвинутые эксперименты с простым и недорогим роботом », Будущее шагающих роботов с нитиноловым приводом , Марк В. Тилден. Лос-Аламитос, Калифорния, IEEE Computer Society Press, c1998. LCCN 96029883 ISBN   0-8186-7408-3
• Тилден, Марк В. и Бросл Хасслахер , « Живые машины ». Лос-Аламосская национальная лаборатория , Лос-Аламос, Нью-Мексико, 87545, США.
• Тилден, Марк В. и Бросл Хасслахер , « Дизайн «живых» биомеханических машин: насколько низко можно опуститься?» «. Лос-Аламосская национальная лаборатория, Лос-Аламос, Нью-Мексико 87545, США.
• Тем не менее, Сюзанна и Марк В. Тилден, « Контроллер четвероногой шагающей машины ». ETH Zuerich, Институт нейроинформатики и отдел биофизики, Национальная лаборатория Лос-Аламоса.
• Брайтенберг, Валентино , « Транспортные средства: эксперименты в синтетической психологии », 1984. ISBN   0-262-52112-1
• Ритман, Эд, « Эксперименты в искусственных нейронных сетях », 1988. ISBN   0-8306-0237-2
• Тилден, Марк В. и Бросл Хаслахер , « Робототехника и автономные машины : биология и технология интеллектуальных автономных агентов », ID статьи LANL: LA-UR-94-2636, весна 1995 г.
• Дьюдни, А.К. « Фотоворы: интеллектуальные роботы создаются из отходов ». Scientific American , сентябрь 1992 г., v267, n3, p42(1)
• Смит, Майкл К. и Марк Тилден, « Лучевая робототехника ». Алгоритм, Vol. 2, № 2, март 1991 г., стр. 15–19.
• Хрынкив, Дэвид М. и Тилден, Марк В., « Мусорные боты, багботы и боты на колесах », 2002 г. ISBN   0-07-222601-3 ( веб-сайт поддержки книг )

См. также

• Аналоговый робот - робот, который использует аналоговые схемы для достижения простой цели.
• Транспортное средство Брайтенберга - робот, который может проявлять разумное поведение, оставаясь при этом полностью апатридом.
• Бросл Хаслахер - физик-теоретик
• Поведенческая робототехника - раздел робототехники, не использующий внутреннюю модель окружающей среды.
• Эмерджентное поведение – процесс формирования сложных паттернов из более простых правил.
• Протонаука
• Stiquito - робот-любитель, выполненный в виде шагающего гексапода с приводом от нитинола.
• Черепаха (робот) - ранние формы робота-черепахи положили начало работе BEAM.
• Уильям Грей Уолтер – нейрофизиолог и робототехника
• Проводной интеллект - робот, у которого нет запрограммированного микропроцессора и имеется аналоговая электроника между датчиками и двигателями, которая дает ему, казалось бы, разумные действия.

Внешние ссылки

• ЛУЧ Yahoo! Архив группы
• Solarbotics, « Сервер и хостинг сообщества BEAM », 2003 г.
• Миллер, Эндрю, « Микроядро »
• Болт, Стивен, « PiTronics », октябрь 2004 г.
• Ван Зоелен, А.А., « BEAM Robotics », 1998 г.
• Робинсон, Брюс Н., « Гидёр », 2005 г.
• Уок, Кевин, « Интервью с Марком Тилденом », март 2000 г.
• Фанг, Чиу-Юань, « BEAM Robotics », 1999 г.
• Бернштейн, Ян, « BEAM Online », 2003 г.
• Бэамитали, « БимИталия », 1998 год.